Linux网络虚拟化技术之tun/tap

我们都知道,Linux实际是通过网络设备去操作和使用网卡的,系统安装了一个网卡之后会为其生成一个网络设备实例,比如eth0(或者叫enp7s0,不同发行版默认网卡命名规则不同)。随着网络虚拟化技术的发展,Linux支持创建出虚拟化的设备,可以通过虚拟化设备的组合实现多种多样的功能和网络拓扑。
常见的虚拟化设备有tun/tapVethBridge802.1q VLAN device

本文环境:

  • OS:Ubuntu 18.04.3 LTS

先回顾一下经典的OSI七层网络模型:
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│ 应用层 │←第七层
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│ 表示层 │
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│ 会话层 │
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│ 传输层 │
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│ 网络层 │
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│数据链路层│
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│ 物理层 │←第一层
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OSI七层参考模型

虚拟设备和物理设备的区别

对于一个网络设备来说,就像一个管道(pipe)一样,有两端,从其中任意一端收到的数据将从另一端发送出去。

比如一个物理网卡eth0,它的两端分别是内核协议栈(通过内核网络设备管理模块间接的通信)和外面的物理网络,从物理网络收到的数据,会转发给内核协议栈,而应用程序从协议栈发过来的数据将会通过物理网络发送出去。

那么对于一个虚拟网络设备呢?首先它也归内核的网络设备管理子系统管理,对于Linux内核网络设备管理模块来说,虚拟设备和物理设备没有区别,都是网络设备,都能配置IP,从网络设备来的数据,都会转发给协议栈,协议栈过来的数据,也会交由网络设备发送出去,至于是怎么发送出去的,发到哪里去,那是设备驱动的事情,跟Linux内核就没关系了,所以说虚拟网络设备的一端也是协议栈,而另一端是什么取决于虚拟网络设备的驱动实现。

tun/tap

tun分析实验

先上图说话:

上图中是tun设备的数据走向。
图中nsfocus_tun0就是tun0,是一个tun/tap虚拟设备,而eno16777736就是eth0。
socket、协议栈(Newwork Protocol Stack)和网络设备(eth0和tun0)部分都在内核层,其实socket是协议栈的一部分,这里分开来的目的是为了看的更直观。

从上图中可以看出它和物理设备eth0的差别,它们的一端虽然都连着协议栈,但另一端不一样,eth0的另一端是物理网络,这个物理网络可能就是一个交换机,而tun0的另一端是一个用户层的程序,协议栈发给tun0的数据包能被这个应用程序读取到,并且应用程序能直接向tun0写数据。

数据流向分析:

  1. User Application A通过套接字(socket A)发数据发给使用与eno16777736处于同一个网段ip的应用程序,数据走向为通过socket A发给协议栈,最后通过netdevice子系统中的eno16777736的设备驱动(以太网驱动)发送出去,这个是通过真实的物理网卡发送出去。
  2. User Application B通过套接字(socket B)发送数据给使用与nsfocus_tun0处于同一个网段ip的应用程序,数据走向为通过socket B发送给协议栈,最后通过netdevice子系统中的nsfocus_tun0的设备驱动(tun驱动)发送出去。由于tun设备没有对应真实的物理网卡,所以nsfocus_tun0对端收取数据的是User Application C。User Application C通过读写/dev/tun设备文件进行数据的收发。

其实一般User Application C就是个VPN程序(例如openvpn),它收到数据包之后,做一些跟业务相关的处理,然后构造一个新的数据包,将原来的数据包嵌入在新的数据包中,最后通过socket B将数据包转发出去,这时候新数据包的源地址变成了eth0的地址,而目的IP地址变成了一个其它的地址,比如是10.33.0.1(VPN服务器地址),协议栈根据本地路由,发现这个数据包应该要通过eth0发送出去,于是将数据包交给eth0,最后eth0通过物理网络将数据包发送出去。

从上面的流程中可以看出,数据包选择走哪个网络设备完全由路由表控制,所以如果我们想让某些网络流量走应用程序B的转发流程,就需要配置路由表让这部分数据走tun0。

示例程序

为了使用tun/tap设备,用户层程序需要通过系统调用打开/dev/net/tun获得一个读写该设备的文件描述符(FD),并且调用ioctl()向内核注册一个TUN或TAP类型的虚拟网卡(实例化一个tun/tap设备),其名称可能是tap7b7ee9a9-c1/vnetXX/tunXX/tap0等。

这里写了一个程序,它收到tun设备的数据包之后,只打印出收到了多少字节的数据包,其它的什么都不做。

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#include <net/if.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <linux/if_tun.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>

int tun_alloc(int flags)
{

struct ifreq ifr;
int fd, err;
char *clonedev = "/dev/net/tun";

if ((fd = open(clonedev, O_RDWR)) < 0) {
return fd;
}

memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
ifr.ifr_flags = flags;

if ((err = ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *) &ifr)) < 0) {
close(fd);
return err;
}

printf("Open tun/tap device: %s for reading...\n", ifr.ifr_name);

return fd;
}

int main()
{

int tun_fd, nread;
char buffer[1500];

/* Flags: IFF_TUN - TUN device (no Ethernet headers)
* IFF_TAP - TAP device
* IFF_NO_PI - Do not provide packet information
*/
tun_fd = tun_alloc(IFF_TUN | IFF_NO_PI);

if (tun_fd < 0) {
perror("Allocating interface");
exit(1);
}

while (1) {
nread = read(tun_fd, buffer, sizeof(buffer));
if (nread < 0) {
perror("Reading from interface");
close(tun_fd);
exit(1);
}

printf("Read %d bytes from tun/tap device\n", nread);
}
return 0;
}

编译、运行程序,会发现多出一个网络设备

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$ gcc -o tun tun.c
$ sudo ./tun
Open tun/tap device: tun0 for reading...


$ ip addr
...
8: tun0: <POINTOPOINT,MULTICAST,NOARP> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 500
link/none

tun0就是新增的网络设备,现在给它配置一个ip,查看接口信息

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$ sudo ifconfig tun0 192.168.10.11/24
$ ip addr
...
8: tun0: <POINTOPOINT,MULTICAST,NOARP,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UNKNOWN group default qlen 500
link/none
inet 192.168.10.11/24 scope global tun0
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::dd59:736:65ee:e31a/64 scope link stable-privacy
valid_lft forever preferred_lft forever

这时候我们ping地址192.168.10.12

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ping 192.168.10.12 -c 2

发现tun程序收到了数据

tun和tap区别

两者很类似,只是tun和tap设备他们工作的协议栈层次不同,tap等同于一个以太网设备,用户层程序向tap设备读写的是二层数据包如以太网数据帧,tap设备最常用的就是作为虚拟机网卡。tun则模拟了网络层设备,操作第三层数据包比如IP数据包,openvpn使用TUN设备在C/S间建立VPN隧道。

tap分析实验

tap设备最常见的用途就是作为虚拟机网卡。

参考文章

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